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1、电能质量及谐波,中国矿业大学信电学院,2023/11/4,中国矿业大学信电学院,2,目录,一、电能质量简介二、谐波三、中压电能质量的治理,2023/11/4,中国矿业大学信电学院,3,一、电能质量简介：内容及标准,GB/T 12325-2003 电能质量 供电电压允许偏差；GB 12326-2000 电能质量 电压波动和闪变;GB/T 15543-1995 电能质量 三相电压允许不平衡度;GB/T 15945-1995 电能质量 电力系统频率允许偏差;GB/T 14549-1993 电能质量 公用电网谐波;,2023/11/4,中国矿业大学信电学院,4,一、电能质量简介：供电电压允许偏差,电压
2、偏差计算：供电电压的允许偏差：1）35kV及以上供电电压正、负偏差的绝对值之和不超过标称系统电压的 10；注：如供电电压上下偏差同号（均为正或负）时，按较大的偏差绝对值作为衡量依据。2）10kV及以下三相供电电压允许偏差为标称系统电压的 7。3）220V单相供电电压允许偏差为标称系统电压的+7、10。4）对供电电压允许偏差有特殊要求的用户，由供用电双方协议确定。,2023/11/4,中国矿业大学信电学院,5,一、电能质量简介：电压波动和闪变,电压变动特性d(t)：电压方均根值变动的时间函数，以系统标称电压的百分数表示。电压变动d：电压变动特性d(t)上，相邻两个极值电压之差。电压变动频度r：单
3、位时间内电压变动的次数(电压由大到小或由小到大各算一次变动)。同一方向的若干次变动，如间隔时间小于30 ms，则算一次变动。电压波动：电压方均根值一系列的变动或连续的改变。,电力系统公共连接点或波动负荷用户引起的公共连接点电压变动限值,2023/11/4,中国矿业大学信电学院,6,一、电能质量简介：电压波动和闪变(续),闪变时间t:一个有时间量纲的值，表示电压变动的闪变影响，和波形、幅值以及频度均有关。闪变：灯光照度不稳定造成的视感。短时间闪变值Pst:衡量短时间(若干分钟)内闪变强弱的一个统计量值。长时间闪变值Plt:由 短时间闪变值推算出，反映长时间(若干小时)闪变强弱的量值。,电力系统公
4、共连接点各级电压下的闪变限值,2023/11/4,中国矿业大学信电学院,7,电能质量简介三相电压允许不平衡度,2023/11/4,中国矿业大学信电学院,8,电能质量简介电力系统频率允许偏差,电力系统频率允许偏差：正常允许0.2Hz，当系统容量较小时允许0.5Hz。用户冲击负荷引起的系统频率变动一般不得超过0.2Hz，根据冲击负荷性质和大小以及系统的条件也可适当变动限值，但应保证近区电力网、发电机组和用户的交全、稳定运行以及正常供电。,2023/11/4,中国矿业大学信电学院,9,电能质量简介公用电网谐波,总谐波畸变率(THD)：周期性交流量中的谐波含量的方均根值与其基波分量的方均根值之比(用百
5、分数表示)。分为电压总谐波畸变率与电流总谐波畸变率。,公用电网谐波电压(相电压)限值,2023/11/4,中国矿业大学信电学院,10,电能质量简介公用电网谐波（续）,公共连接点的全部用户向该点注入的谐波电流分量(方均根值)不应超过表2中规定的允许值。当公共连接点处的最小短路容量不同于基准短路容量时，表2中的谐波电流允许值应进行换算即：各次谐波电流分量各次谐波电流允许值*(公共连接点的最小短路容量/基准短路容量)。,2023/11/4,中国矿业大学信电学院,11,二、谐波：谐波的产生,非线性负载产生谐波：工业用易产生谐波设备：直流调速器、变频调速器、不间断电源系统（UPS）、现代照明系统、焊接装
6、置、感应加热炉、整流器、饱和变压器等。民用易产生谐波设备：电视机、空调、计算机、日光灯、电冰箱等。谐波流向：谐波电流主要流过电容器。谐波电流也流过电网。谐波电流的流动导致谐波电压。谐波也注入其他接入同一电网总线的线性负载。注入电网的谐波也会流向联网的其他用户。,2023/11/4,中国矿业大学信电学院,12,二、谐波：三相整流产生的谐波,三相整流设备产生的谐波电流，其谐波次数可按如下公式求得：N=fn/f1=K*P1 公式中：N=谐波次数；fn=谐波电流频率；f1=基波电流频率；K=1，2，3，；P=整流设备的波头数（6、12、24）。例如：6 波头的整流器将产生 5，7，11，13 次谐波。
7、三相整流设备产生的谐波电流值可按如下公式求得：In=I1/N 公式中：In=N 次谐波的电流值；I1=基波电流值；N=谐波次数。,2023/11/4,中国矿业大学信电学院,13,二、谐波：谐波的种类,特性谐波：与相关回路结构相关.有规律的谐波次数.谐波频率可由公式 k*p+1;k=1,2,3得到.谐波频率呈规律性.非特性谐波：由频率转换设备产生.系统不平衡(电压和感抗)3次谐波（零序谐波）：3*(2n+1),n=0,1,2 例如 3,9,15,21.等.主要影响零序.增加零相电流.,2023/11/4,中国矿业大学信电学院,14,二、谐波：谐波的相序（1）,每一谐波的相序都有关于基波的联系.按
8、约定基波被设定为正相序.所有高次谐波都有相对于基波的正、负或是零相序.,2023/11/4,中国矿业大学信电学院,15,二、谐波：谐波的相序（2）,RYB的相序(+Seq.)基次分量 R Y B基次+120o 0o-120o 二次+240o 0o-240o 谐波-120o 0o+120o 因而二次谐波作为负序分量运转.,2023/11/4,中国矿业大学信电学院,16,二、谐波：谐波的相序（3）,RYB的相序(+Seq.)基次分量 R Y B基次+120o 0o-120o 三次+360o 0o-360o 谐波+0o 0o-0o 因而三次谐波作为零序分量运转.,2023/11/4,中国矿业大学信电
9、学院,17,二、谐波：谐波的相序（4）,每一谐波的相序算法及排列：,2023/11/4,中国矿业大学信电学院,18,二、谐波：谐波的相序（4）,各序谐波的特性及危害：,2023/11/4,中国矿业大学信电学院,19,二、谐波：对设备的的危害,2023/11/4,中国矿业大学信电学院,20,三、中压电能质量的治理：内容及目标,使注入公用电网的谐波电流及公共连接点的谐波电压在国标限值以内；提高用户用电的功率因数；使电压波动和闪变在国标限值以内；使电压凹陷、凸起、短时中断的幅值和持续时间在设备容许范围内。使用户设备在电磁兼容允许范围内安全经济运行，把对电网的干扰限制在国标限值以内。,2023/11/
10、4,中国矿业大学信电学院,21,三、中压电能质量的治理：治理设备,无源滤波器FC（手动/自动投切，调谐/非调谐）静止型动态无功补偿装置SVC：TSC、TSC+TCR静止型动态无功补偿装置SVC：FC+TCR、FC+MCR有源滤波器APF静止无功发生器SVG(又称静止同步补偿器STATCOM),2023/11/4,中国矿业大学信电学院,22,三、中压电能质量的治理：无源滤波器FC,主要器件：电容器+电抗器+电阻器（可选）投切方式：手动、自动功能：纯补偿（非调谐）、补偿滤波（调谐）滤波原理：采用电力电容器串联适当比例的电抗器，形成针对某一特定频率的低阻抗滤波回路，吸收特定频率的谐波电流，补偿基波无
11、功功率。适用场合：无功功率大、功率因数低、无功变化不频繁，具有典型特征谐波（5，7，11，13次）的工业负荷。优点：结构简单，造价低廉，适合大规模应用。缺点：响应时间长，两次投切间隔通常要几秒放电时间，不能补偿动态无功；补偿容量受到电网电压的限制，电网电压越低，输出无功越小，而此时恰恰需要向电网输出无功，以期抬高电网电压水平；只能消除特定的几次谐波，而对某些次谐波会产生放大作用；滤波要求和无功补偿、调压要求有时难以协调；投切产生涌流及过电压会对系统会造成冲击，补偿精度低。,2023/11/4,中国矿业大学信电学院,23,三、中压电能质量的治理:非调谐无源滤波器,非调谐(Detuned)或谐波抑
12、制滤波器：谐振频率fR 最低主谐波频率的90%；例如：fR=214Hz,小于5次谐波的90%.电抗系数 12.5%或 14%适用于 3次谐波；电抗系数 5.5%或 7%适用于 5、7次谐波。适用于：仅考虑无功补偿，且谐波含量小的场所。参数选择需要注意防止电容器谐波过载。,接线原理图,2023/11/4,中国矿业大学信电学院,24,三、中压电能质量的治理：调谐无源滤波器,调谐(Tuned)或谐波吸收滤波器：谐振频率 fR在被吸收的谐波频率的10%的范围内；例如：fR=246Hz,吸收 5次谐波。要滤除 5、7、11 次谐波分别采用 5、7、11 次滤波器。适用于：考虑无功补偿同时需要进行谐波吸收
13、的场所，一般谐波成份固定且无功变化不大。优点：滤波效果好；缺点：无功变化较大时，难以做到补偿与谐波治理的完美结合。,接线原理图,2023/11/4,中国矿业大学信电学院,25,三、中压电能质量的治理：SVC-TSC,主要器件：FC+TSC或FC+TSC+TCRTSC投切方式：晶闸管投切电容器，有晶闸管和二极管反并联及两个晶闸管反并联两种方式。冷却方式：水冷、风冷。功能：分组补偿电网感性无功，吸收电网中特定频段谐波电流。优点：动态跟踪无功变化，跟踪速度可达510ms，不发生过补偿、无投切振荡和无冲击投切，对三相不平衡负荷可以分相补偿。缺点：控制复杂；晶闸管的冷却系统必须带电运行，水冷运行维护成本
14、高，风冷效率低；自身产生的谐波不可忽视，谐波治理效果不理想；产生电磁辐射污染。TSCTCR补偿器：以电容器作分级粗调，以电感作相控细调。,2023/11/4,中国矿业大学信电学院,26,三、中压电能质量的治理：SVC-FC+TCR/MCR,主要器件：FC+TCR、FC+MCRFC+TCR投切方式：FC固定投切，可控硅调节相控电抗器投入比例。FC+MCR投切方式：FC固定投切，可控硅调节磁控电抗器投入比例。冷却方式：水冷、风冷。功能：补偿电网感性无功，FC吸收电网中特定频段谐波电流，部分减小无功冲击造成的电压波动与闪变。优点：动态跟踪无功变化，跟踪速度可达20ms，不发生过补偿、无投切振荡和无冲
15、击投切。缺点：功耗大；占地面积大；晶闸管的冷却系统必须带电运行，水冷运行维护成本高，风冷效率低；自身产生的谐波不可忽视，谐波引起电感、电容发热，导致绝缘老化，电容器参数参数变化及损坏；谐波在TCR与FC间流动增加损耗，降低效率；谐波引起电磁兼容问题干扰周围设备；谐波造成电磁污染、辐射环保问题。,2023/11/4,中国矿业大学信电学院,27,三、中压电能质量的治理：SVC-FC+TCR,2023/11/4,中国矿业大学信电学院,28,三、中压电能质量的治理：SVC（续）,2023/11/4,中国矿业大学信电学院,29,三、中压电能质量的治理：APF,主要器件：有源滤波器APF分类：电压型和电流
16、型；并联型和串联型。实用的为并联电压型。原理：利用PWM技术实现的电流发生器,它产生与负载无功(基波与谐波)电流大小相等、方向相反的电流，使注入电网的无功电流为零。功能：谐波治理无功补偿抑制电压骤降抑制闪变。,优点：无需大容量电容器和电抗器，是一种动态的可控解决方案，可自动地适应网络和负载的变化，不存在谐振问题，占地面积小。缺点：单机容量较小，不适合大容量补偿，高压应用几乎没有，系统造价高。适用场合：功率因数高、配电系统复杂、谐波分量复杂的工业负荷。,2023/11/4,中国矿业大学信电学院,30,三、中压电能质量的治理：APF-MARS,电能质量有源恢复系统MARS（Mains Active
17、 Restoring System）是一种高压有源滤波补偿装置。主要器件：断路器、变压器、MARS。原理：利用双桥PWM技术实现的电流发生器，具备有源滤波器的所有优点，同时还能提供双向无功功率补偿，对系统的高频纹波影响最小。功能：谐波治理无功补偿抑制电压骤降抑制闪变。适用场合：功率因数高、配电系统复杂、谐波分量复杂、补偿容量大的中高压工业负荷。特点：主动动态输出各次谐波电流和无功电流，补偿范围广，补偿精度高；是一种动态的可控解决方案，可自动地适应网络和负载的变化，不存在系统谐振危险；采用双桥PWM技术，对系统的高频纹波影响小；响应速度快达2ms;单机容量大，技术成熟，适合大容量高压补偿。,20
18、23/11/4,中国矿业大学信电学院,31,三、中压电能质量的治理：APF-MARS（续）,MARS特性：高动态：电流测量周期20s，意味着可以足够地补偿各次谐波。直接谐波控制：可以自由地选择谐波次数并对它们直接补偿，这一方法可以以最小的有源滤波容量实现最优的补偿效果。最小电网回馈：两个并联的IGBT桥和同步的切换操作保证了最小的电网回馈。独立的滤波性能：滤波功能的设置是独立于电网质量和电网阻抗的。无功电流的补偿：可以补偿基波无功电流（容性或感性电流），系统补偿谐波剩余的容量都可以用来进行无功补偿。减小电压波动：在大功率电机启动时，减小电压的波动。减少闪变：高动态的补偿特征有效地减小闪变。容量
19、比APF大：单机120k-1450kVAr 容量范围。,2023/11/4,中国矿业大学信电学院,32,三、中压电能质量的治理：APF-MARS（续）,MARS接线原理图,2023/11/4,中国矿业大学信电学院,33,三、中压电能质量的治理：APF-MARS（续）,MARS补偿无功电流原理,-,=,无 MARS时的电流,MARS 电流,系统电流,特点：对无功电流的高动态性补偿；降低系统公共连接点电流；系统中无谐振危险；载波控制系统不受影响。,2023/11/4,中国矿业大学信电学院,34,三、中压电能质量的治理：APF-MARS（续）,MARS补偿谐波电流原理,特点：补偿谐波电流，明显改善系
20、统电压波形；降低系统电流;不产生谐振;不影响载波信号。,2023/11/4,中国矿业大学信电学院,35,三、中压电能质量的治理：SVG,静止无功发生器(SVG)又称静止同步补偿器(STATCOM).原理：是采用自关断开关器件构成的自换相变流器，通过电压电源逆变技术提供超前和滞后的无功，实现动态无功补偿。根据直流侧采用电容和电感两种不同的储能元件，可以分为电压型和电流型两种，电压型如下图，将直流侧的电容器用电抗器代替，交流侧的串联电感用并联电容代替，则为电流型的SVG。交流侧所接的电感L和电容C的作用分别为阻止高次谐波进入电网和吸收换相时产生的过电压。,功能：动态无功补偿。特点：不需储能元件来达
21、到与系统交换无功的目的，实际上它使用直流电容来维持稳定的直流电源电压，和SVC使用的交流电容相比，直流电容量相对较小，成本较低；另外，在系统电压很低的情况下，仍能输出额定无功电流，而SVC补偿的无功电流随系统电压的降低而降低。,2023/11/4,中国矿业大学信电学院,36,三、中压电能质量的治理：SVG:D-STATCOM,配电系统用静止同步补偿器(D-STATCOM).主要器件：断路器、变压器、逆变器、电容器。核心器件：IGBT功能：维持系统电压恒定、谐波治理、抑制电压闪变。优点：可对频率和大小都变化的谐波以及变化的无功功率进行补偿，对补偿对象的变化有极快的响应，补偿无功功率时不需要储能元件，补偿谐波时所需储能元件的容量不大，且补偿无功功率的大小可以做到连续调节；不会引起谐振短路；可以吸纳无功；精准电压控制（该装置除了可以按照功率因数或者无功功率控制之外，还可以按照电压幅值来控制，确保用户获得的电压的平稳性，降低电压纹波）；受电网阻抗的影响不大，不容易和电网阻抗发生谐振；且可以跟踪电网频率的变化，故补偿性能不受电网频率变化的影响。缺点：目前仅在大容量区域变电所使用，造价高昂。适用场合：适用于大容量无功补偿的枢纽变电站。,
